aalto1 untyped-item.component.html
Toimistorakennuksen kustannustehokas energiatehokkuuden parantaminen monitavoiteoptimoinnilla
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ENG21
Degree programme
Language
fi
Pages
92 + 4
Series
Abstract
Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää ennalta valittujen toteutettavuudeltaan ja kustannuksiltaan mielekkäiden energiansäästötoimenpiteiden kustannusoptimaalisin suunnitteluratkaisu olemassa olevaan toimistorakennukseen. Tavoitteena oli löytää monitavoiteoptimoinnin keinoin normaalia optimointiratkaisua parempi mitoitusteho ulkoilmavesilämpöpumpuille sekä aurinkopaneeleille, jolloin voidaan minimoida rakennuksen energiankäytön elinkaarikustannuksia, energian tuotannosta aiheutuneita hiilidioksidipäästöjä, rakennuksen E-lukua sekä energiahankkeen investointikustannuksia Lisäksi työssä selvitettiin LED-valaisimien kannattavuus sekä ympäristövaikutukset nykyiseen valaistusjärjestelmään verrattuna. Tutkimusmenetelmänä käytettiin simulaatioon pohjautuvaa rakennusenergian optimointia, jossa rakennuksen energiasimulointi mallinnus suoritettiin IDA ICE -ohjelmistolla ja varsinainen monitavoiteoptimointi MOBO-ohjelmalla.
Työssä suoritettiin kolme pääoptimointia ja kaksi erillistä herkkyysanalyysiä. Pääoptimoinneissa minimoitiin rakennuksen elinkaarikustannuksia yhdessä hiilidioksidipäästöjen, E-luvun sekä alkuinvestoinnin kanssa. Pääoptimointien paretorintamista valittiin kolme mielekkäintä optimipistettä kohteeseen ja näille pisteille suoritettiin kannattavuuslaskelmat. Herkkyysanalyyseissä selvitettiin nimelliskorkokannan sekä energian hinnan eskalaatiokertoimen vaikutukset monitavoiteoptimoinnissa. Herkkyysanalyyseissä kohdefunktioina olivat elinkaarikustannukset ja E-luku.
Monitavoiteoptimoinnilla saavutettiin optimipisteet kustannustehokkaalle ja vähähiiliselle ratkaisulle sekä matalan investoinnin vaihtoehdolle. Kustannustehokkaimmassa ratkaisussa kiinteistön energiankäytön elinkaarikustannukset olivat 1,5 % nykyistä alhaisemmat. Lisäksi hiilidioksidipäästöt alenivat 25 vuoden tarkastelujaksolla 10,1 %. Vähähiilissä vaihtoehdossa elinkaarikustannukset laskivat nykyisestä ja olivat vain hieman suuremmat kuin kustannustehokkaimmassa ratkaisussa. Hiilidioksidipäästöt laskivat 12,6 % nykytilanteesta. Pienen investoinnin vaihtoehdolla saavutettiin investoinnin sisäinen korkokanta (IRR 18,3 %) sekä lyhin takaisinmaksuaika. Elinkaarikustannukset ja hiilidioksidipäästöt laskevat nykytilanteesta, mutta ovat muita optimiratkaisuja suuremmat. LED-valaisimien käyttö on kannattavaa sekä taloudellisesta, että ympäristönäkökulmasta. Herkkyysanalyysien perusteella nimelliskorkokanta sekä eskalaatiokerroin vaikuttavat voimakkaasti optimoinnin tuloksiin sekä optimiratkaisuihin.
The purpose of this thesis was to examine the cost optimal energy performance solution to the office building by multi-objective optimization. The main objective was to maximize the energy performance of the building by determining the optimal amount of air-to-water heat pumps and solar panels to function in parallel with district heating and the electricity grid. Moreover, the goal of this study was to determine the energy solution to the building which minimizes the life-cycle costs of the energy usage, carbon dioxide emissions, E-value and investment costs. Furthermore, the cost-effectiveness and environmental friendliness of LED-lights were examined in this study. The research method of this study was simulation-based building energy optimization. The energy simulations and the modelling of the building were conducted by IDA ICE and the optimization was executed by MOBO. The genetic algorithm Pareto-Archive NSGA-II was utilized in the optimization.
Three main optimizations and two sensitivity analysis were conducted in this study. Life-cycle costs, carbon dioxide emissions, E-value and investment costs were minimized separately in the three main optimizations. Moreover, three potential solutions were selected from the pareto fronts of the optimizations and the profitability analysis was conducted to these three solutions. The effectiveness of the nominal interest rate and the escalation rate of the energy prices were evaluated in the sensitivity analysis. Life-cycle costs and the E-value were the objective functions in the sensitivity analysis.
Three energy solutions achieved by multi-objective optimization were the cost-effective alternative, the low-carbon alternative and the low investment alternative. The cost-effective alternative is the cost optimal energy solution due to life-cycle analysis. The life-cycle costs decreased 1,5% compared to the present solution. The benefits in life-cycle costs of the low-carbon alternative were slightly lower. However, the carbon dioxide emissions decreased 12,6% compared to the present solution. Although the life-cycle costs and the carbon dioxide emissions of the low investment alternative are higher than other optimal solutions, the low investment alternative has an IRR of 18,3% and it is less risky due to low investment cost. Furthermore, the profitability analysis indicated that the implementation of the LED-lights was economically viable. The nominal interest rate and the escalation rate of the energy prices has a major effect to the optimal solution of the multi-objective optimization due to sensitivity analysis.